p Com suas esferas metálicas suspensas que estalam para frente e para trás, O berço de Newton é mais do que um brinquedo popular de mesa. Ele ensinou uma geração de alunos sobre a conservação de momentum e energia. É também a inspiração para uma experiência de Benjamin Lev, professor associado de física e física aplicada na Universidade de Stanford, criou para estudar sistemas quânticos. p Lev e seu grupo construíram sua própria versão quântica do berço de Newton para responder a perguntas sobre como o movimento caótico das partículas quânticas eventualmente leva ao equilíbrio térmico em um processo chamado termalização. Responder como isso ocorre em sistemas quânticos pode ajudar no desenvolvimento de computadores quânticos, sensores e dispositivos, que Lev caracteriza como uma "revolução da engenharia quântica".

p "Se quisermos ser capazes de criar dispositivos robustos e úteis, precisamos entender como os sistemas quânticos se comportam fora do equilíbrio - quando são chutados, como o berço de Newton - em um nível tão fundamental quanto entendemos que para os sistemas clássicos, "Lev disse.

p Com o berço, os pesquisadores observaram pela primeira vez como, depois de induzir pequenas quantidades de movimento caótico, um sistema quântico atinge o equilíbrio térmico. Eles publicaram suas descobertas em 2 de maio em Revisão Física X .

p Os resultados desses experimentos, que não se encaixava nas previsões anteriores, levaram a uma teoria de como esse processo funciona em sistemas quânticos.

p Extremamente frio, fortemente magnético

p O turbilhão turbulento do leite adicionado ao café é um exemplo familiar de caos no mundo não quântico. Hora extra, a mistura de café torna-se homogênea e, Portanto, atinge o equilíbrio. O que o laboratório de Lev queria saber é como essa evolução ocorre nos sistemas quânticos depois que eles induzem apenas um toque de caos. Por meio de experimentos com seu berço, os pesquisadores foram os primeiros a observar esse processo conforme ocorria.

p O berço de Newton quântico do laboratório de Lev é diferente de tudo que você viu no cubículo do seu colega de trabalho. Os pesquisadores lançam feixes de laser através de uma câmara hermética para resfriar um gás de átomos até quase zero absoluto - um dos gases mais frios conhecidos no universo - e então eles carregam esses átomos em uma série de tubos de laser que atuam como a estrutura para o O berço de Newton. Cada um dos 700 berços paralelos contém cerca de 50 átomos em uma fileira. Então, outro laser chuta os átomos, iniciando o movimento do berço.

p Ao contrário de um berço de Newton quântico anterior desenvolvido por David Weiss na Penn State, onde átomos fracamente magnéticos tomaram o lugar das esferas de metal do berço, o berço do laboratório de Lev inclui átomos fortemente magnéticos.

p Este trabalho se baseia na conquista anterior do laboratório de fazer o primeiro gás quântico do elemento altamente magnético disprósio - vinculado ao térbio como o mais magnético de todos os elementos. O presidente Obama deu a Lev um prêmio presidencial de início de carreira para cientistas e engenheiros por esse marco em 2011. Foram átomos de disprósio que os pesquisadores carregaram na câmara hermética.

p Os pesquisadores podem ajustar como esses átomos afetam seus vizinhos. Eles podem fazer o berço agir como se os átomos não fossem magnéticos, de modo que produzirá o movimento periódico típico do berço de Newton. Ou podem produzir movimento caótico aumentando o magnetismo - como um berço de Newton com ímãs presos às esferas.

p Até agora, os físicos não têm uma teoria de como a termalização surge em sistemas quânticos sutilmente caóticos. Pesquisas anteriores com simulações computacionais resultaram em conclusões variadas. Agora, através de seus experimentos, os pesquisadores mostraram diretamente que a oscilação dos berços atingiu o equilíbrio em uma sequência de duas etapas exponenciais, o que foi um resultado inesperado.

p Eles também confirmaram seus resultados experimentais em uma extensa simulação de computador. Com base nesses experimentos e simulações, o grupo desenvolveu uma teoria que explica suas descobertas.

p "Isso significa que podemos ter uma visão muito geral, teoria simples de como sistemas quânticos complicados como este se termalizam, "Lev disse." Isso é lindo porque permite que você traduza isso para outros sistemas. "

p Átomo por átomo

p Já, os pesquisadores têm vários experimentos planejados para o berço de Newton do quantum magnético e eles antecipam muito mais oportunidades para construir sobre este trabalho à medida que a revolução quântica evolui.

p "Tecnologias de laser muito sofisticadas podem manipular sistemas átomo por átomo, "disse Yijun Tang, um estudante de doutorado recém-formado no laboratório de Lev e autor principal do artigo. "Então, talvez o que possamos fazer vá além das questões científicas fundamentais. Pode ser, em algum ponto, podemos transformar essas tecnologias em algo mais prático também. "

p Em experimentos futuros, os pesquisadores podem adicionar desordem aos tubos do berço, na forma de luz laser pontilhada, para ver se eles podem criar uma espécie de vidro quântico que evita a termalização. Os experimentos que contribuíram para este artigo foram todos feitos com uma versão de isótopos de disprósio, chamados bósons, então o grupo também planeja repetir seu trabalho com a versão alternativa, férmions. Eles não têm certeza se a mudança para férmions fará diferença na termalização, Lev disse, e eles receberiam outra surpresa.